李成博,張 宇

(美國ConocoPhillips國際石油有限公司,休斯敦77079)

地震資料為油氣勘探提供了重要的信息基礎(chǔ)。三維地震采集的概念早在20世紀(jì)初期就已出現(xiàn),但受當(dāng)時采集設(shè)備和計算能力(包括資料顯示、處理、成像以及解釋能力)的限制,這項技術(shù)一直未能得到實際應(yīng)用。直到1967年才在美國德克薩斯州首次進行了三維地震資料采集。1972年,美國進行了三維地震采集的評估。與此同時,地震資料處理和成像方法也取得了長足進步,客觀上推動了三維采集的發(fā)展。至2000年,三維疊前深度偏移技術(shù)迅猛發(fā)展,并且不斷更新?lián)Q代。今天,三維地震資料應(yīng)用于油氣勘探到開發(fā)各個環(huán)節(jié)。生產(chǎn)部門對地質(zhì)構(gòu)造分析和儲層預(yù)測的精度要求不斷提高,地震資料采集必須為石油勘探提供足夠的地質(zhì)信息。

三維拖纜作業(yè)是海上地震資料采集的主要方式。早期拖纜采集在主測線方向一般有6～9km的炮檢距,而聯(lián)絡(luò)測線方向的炮檢距只有幾百米,所以只能采集到很窄方位角范圍內(nèi)的反射信號。對于復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造,如斷層發(fā)育帶或復(fù)雜鹽丘體,窄方位角數(shù)據(jù)只能沿單一方向進行成像,無法呈現(xiàn)出真實完整的三維構(gòu)造。2006年前后,人們在墨西哥灣率先測試了寬方位角采集,很快被業(yè)界廣泛接受。寬方位角采集利用3～4艘震源船平行行駛、輪流激發(fā),以達到拓寬方位角信息的目的,進而增加成像照明,提高信噪比。將其與各向異性建模和偏移方法相結(jié)合,有效改善了復(fù)雜鹽丘體和鹽下的成像效果。近十年來,海上拖纜采集技術(shù)不斷創(chuàng)新。深海勘探從窄方位角走向?qū)挿轿唤?、多方位角、以至全方位角采集。另一方?全波形反演技術(shù)的應(yīng)用要求地震信號具有大炮檢距和豐富的低頻反射信息,于是又出現(xiàn)了多種特大炮檢距(15～25km)和寬頻地震采集方式,極大地促進了深?？碧郊夹g(shù)的發(fā)展。

陸上三維采集早于海上應(yīng)用,始于20世紀(jì)70年代。早期的陸上三維設(shè)計重視共中心點-炮檢距的均勻分布,強調(diào)利用震源與檢波器陣列提高單炮信噪比。由于受采集成本的限制,三維地震資料的覆蓋次數(shù)較低,為獲得均勻的炮檢距分布,大多采用窄方位角的采集方式。2000年后,隨著對疊前偏移理解的深入,共中心點覆蓋率不再是陸上三維采集質(zhì)量的唯一衡量標(biāo)準(zhǔn)。人們更關(guān)心在滿足炮檢距和方位角均勻采樣的同時是否能夠更加有效地對地震波場進行完整的采集,減少采集中的假頻效應(yīng),并且提高分辨率。采集方式也從震源與檢波器陣列逐漸轉(zhuǎn)變成單點高密度全方位角采集。地震道密度與采樣率成為衡量三維地震資料品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)。高效、高密度三維采集已成為陸上勘探的主要采集方式。

三維地震資料采集設(shè)計需要考慮很多因素,包括地質(zhì)構(gòu)造、速度模型、采集時窗、采集費用等。傳統(tǒng)的地震資料采樣率由勘探區(qū)域的最小速度(vmin)和最高采集頻率(fmax)決定。例如,假設(shè)在某采集區(qū)域,vmin=1500m/s。我們希望采集的地震數(shù)據(jù)至少在fmax=60Hz以下沒有假頻,那么由Nyquist-Shannon采樣定理導(dǎo)出的理想空間采樣率Δ≤vmin/(2fmax)=12.5m。也就是說,為了滿足理論精度,理想的三維設(shè)計應(yīng)保證炮點距、炮線距、檢波點距和檢波線距均為12.5m或更小,這樣才能滿足地震采集數(shù)據(jù)在各個方向上60Hz以下均沒有假頻的要求。在實際生產(chǎn)中,如此致密的采集(大于4×107道/km2)幾乎不可能完成,更何況陸上高分辨率資料對采集精度的要求經(jīng)常遠超過60Hz。實際的三維地震采集受費用、人力、設(shè)備、時間和地質(zhì)條件等的限制,采集能力和理想設(shè)計的要求相差甚遠,不得不在一個方向或者多個方向降低空間采樣率,如增加炮點距至25m,增加炮線距與檢波器線距至200m。這相當(dāng)于所采集到的地震資料比理論要求差了512倍！傳統(tǒng)的采樣理論認為在數(shù)據(jù)采集過程中降低采樣率將不可避免地導(dǎo)致假頻的出現(xiàn),進而影響資料處理以及成像的質(zhì)量。而實際生產(chǎn)經(jīng)驗告訴我們,一部分的采集假頻往往可以采用資料處理手段得以彌補。在這方面,理論預(yù)測和實際結(jié)果之間一直存在差距。壓縮感知理論的出現(xiàn),為我們提供了新的理論和工具來分析和指導(dǎo)地震資料的采集和處理。

本文對壓縮感知理論作了簡要介紹。這一理論的提出,突破了傳統(tǒng)傳統(tǒng)Nyquist-Shannon采樣定理的限制,特別是對于具有稀疏表達方式的信號,可以采用遠低于傳統(tǒng)采樣率的樣本來高精度地進行數(shù)據(jù)重構(gòu)。CSI是基于壓縮感知理論所開發(fā)出的一套地震資料采集和處理綜合技術(shù),包括非規(guī)則最優(yōu)化采樣設(shè)計、地震信號的稀疏化處理、基于稀疏反演的數(shù)據(jù)重構(gòu)以及同時震源分離等技術(shù)內(nèi)容。介紹了CSI技術(shù)在海底節(jié)點、海上拖纜和陸地可控震源等多種地震資料采集和處理中的實際應(yīng)用,無論是采集效率還是成像精度都有顯著的提高。最后,對該技術(shù)進行了總結(jié)和展望。

1 壓縮感知與CSI技術(shù)

Nyquist-Shannon采樣定理一直是指導(dǎo)信號采集的理論基礎(chǔ)。該定理告訴我們,當(dāng)采樣頻率大于模擬信號中最高頻率的2倍時,模擬信號可以通過所采集到的離散樣本完全得到恢復(fù)。Nyquist-Shannon采樣定理只對信號特征做了頻帶有限假設(shè),給出了信號還原的充分條件。在很多實際應(yīng)用中,我們感興趣的信號往往存在一定的內(nèi)在結(jié)構(gòu)且包含大量冗余信息。如果對于這類信號在采樣時依然遵循2倍最高頻率的準(zhǔn)則就顯得過于保守。

壓縮感知理論能夠利用信號的稀疏性,在獲取信號的同時對數(shù)據(jù)進行壓縮,不但節(jié)省了信息的存儲空間,還提高了信號的使用效率。對圖片采用壓縮感知技術(shù),一般在數(shù)據(jù)壓縮4倍的情況下仍然能夠達到95%以上的保真度。壓縮感知理論促成了信號采集方式的觀念性改變,在信號與圖像處理領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。我們認為,在地球物理的應(yīng)用中,壓縮感知原理并不只是一種新的地震資料處理技術(shù),它是可以從根本上改變地震資料采集和處理方式的基礎(chǔ)概念。

許多學(xué)者對壓縮感知在地球物理中的應(yīng)用進行了探索。HENNENFENT等[4]于2008年首次提出了利用壓縮感知理論進行地震資料的非規(guī)則采樣和數(shù)據(jù)重建。HERRMANN[5]于2010進一步闡述了壓縮感知與隨機采樣在數(shù)據(jù)采集上的優(yōu)勢,并論證了利用curvelets[6]稀疏化地震資料的可行性。MOLDOVEANU[7]根據(jù)海上采集的限制條件,采用環(huán)形炮點激發(fā)的方式來實現(xiàn)隨機采樣,并用有限差分進行模擬實驗。NEELAMANI等[8]根據(jù)壓縮感知理論,利用隨機帶限脈沖波形產(chǎn)生同時震源,結(jié)合格林函數(shù)的稀疏性進行波場重建,從而達到致密采樣正演建模的高效性。MA等[9]針對地震信號特點提出簡單路徑小波變換(EPWT),與傳統(tǒng)小波變換相比,EPWT能夠更加有效地稀疏化地震信號并減少變換過程中的人為噪聲。MANSOUR等[10]建議利用壓縮感知來設(shè)計海上同時震源并且實現(xiàn)混疊信號分離,同時震源的設(shè)計主要通過時間抖動編碼方式來實現(xiàn)隨機測量,在處理中利用稀疏優(yōu)化進行信號的反演。LI等[11]將稀疏約束與高斯牛頓法相結(jié)合,解決在全波形反演過程中采用數(shù)據(jù)子集產(chǎn)生的人為噪聲問題,提高計算效率。OGHENEKOHWO等[12]和WASON等[13]將壓縮感知應(yīng)用于時間推移地震。每次采集利用不同的炮點分布通過壓縮感知的理論來實現(xiàn)信息的共享,進而節(jié)省重復(fù)信息的采集。

我們從2010年末開始對壓縮感知相關(guān)技術(shù)進行了系統(tǒng)研究,致力于利用壓縮感知理論來改變傳統(tǒng)地震資料采集方式,提高采集效率與成像精度。隨著研究的深入逐漸形成了一整套包括設(shè)計、采集與處理的綜合技術(shù)——Compressive Seismic Imaging(CSI)。該技術(shù)主要包括以下4個方面。

1) 非規(guī)則最優(yōu)化采樣設(shè)計(NUOS)。

利用壓縮感知理論提出并解決了基于互相關(guān)度的最優(yōu)化問題,在實際采集限制條件下通過迭代產(chǎn)生非規(guī)則最優(yōu)化設(shè)計方案[14-15]。通過求解炮點或檢波器點排列互相關(guān)度最小化問題,我們可以獲得二維或者三維采集最優(yōu)化設(shè)計。該方法避免使用隨機觀測,利用優(yōu)化手段排除了傳統(tǒng)隨機觀測設(shè)計中的不確定性。在優(yōu)化過程中可將已知的采集限制條件,例如由輸油管道或采油平臺所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)采集障礙物等,作為約束計算在內(nèi)。這樣,采集人員可以根據(jù)事先制定的方案付諸實際,減少工程意外,以達到理論上的最佳效果。非規(guī)則最優(yōu)化采樣設(shè)計可靈活應(yīng)用于海上拖纜、海底電纜或節(jié)點、陸上可控震源或炸藥震源等采集方式,現(xiàn)有的實踐包括了二維、三維或四維采集。

2) 地震信號的稀疏化處理。

提出了基于傅里葉廣義窗口變換(GWT)的地震數(shù)據(jù)稀疏化處理技術(shù)[16]。傳統(tǒng)的小波變換采用抽二分樣點和局部濾波的迭代算法來分離相鄰頻帶。由于小波基的長度有限,相鄰頻帶之間有重疊,變換后往往出現(xiàn)子帶假頻問題(subband aliasing)。GWT巧妙地利用窗口混疊(blending)技術(shù)來克服這種現(xiàn)象,實現(xiàn)了高保真的反變換。對實際數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明,相對于curvelets,地震數(shù)據(jù)在GWT下的表示更加稀疏,具有更好的可壓縮性,產(chǎn)生的人為噪聲更少。而且,GWT的復(fù)雜度為O(KNlogN),與快速傅里葉變換接近,遠低于curvelets,計算效率高。這對于CSI在大規(guī)模高維數(shù)據(jù)的應(yīng)用尤為重要。

3) 數(shù)據(jù)重建。

在稀疏反演的框架下,提出新的非單調(diào)交替方向算法(NADA)來解決基于分析的基追蹤去噪(analysis-based basis pursuit denoising)問題[17-18]。該問題在數(shù)學(xué)上可以表示為:

(1)

式中:u和b分別為重建目標(biāo)信號和采集信號;S和R為稀疏基和采樣算子;σ表示采集噪聲水平。

NADA方法將上述復(fù)雜的非線性優(yōu)化問題分解成若干個簡單的子問題進行迭代求解,適用于大規(guī)模實際數(shù)據(jù)處理,具有算法復(fù)雜度低、抗噪聲、收斂穩(wěn)定、可快速并行等特點。為解決實際采集中炮點和檢波器點偏離設(shè)計網(wǎng)格的情況,同時提出了插值壓縮感知(Interpolated Compressive Sensing)的概念[19]：在稀疏反演過程中利用Lagrange插值方法構(gòu)造采樣算子R,避免使用面元(binning)造成誤差,進而提高了方法對不規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)的反演精度。該方法的提出使CSI技術(shù)在實際應(yīng)用中減少了對炮點和檢波點的位置限制,極大地降低了海上和陸地采集作業(yè)的難度,進一步提高了采集效率。

4) 同時震源分離。

在設(shè)計過程中利用NUOS技術(shù)優(yōu)化炮點位置,在采集過程中使用多震源獨立放炮的方式實現(xiàn)采集效率最大化[20]。與基于時間抖動或震源編碼的同時震源設(shè)計方法相比,該技術(shù)對震源的激發(fā)時間和特征沒有限制,作業(yè)方式與傳統(tǒng)采集基本相同,不增加額外作業(yè)難度和安全隱患。同時震源混疊信號的分離同樣基于稀疏反演,采用NADA算法解決如下優(yōu)化問題:

(2)

式中:M為混疊算子;W為權(quán)重算子;S,R,u,b的定義與數(shù)據(jù)重建中的定義相同。該方法與傳統(tǒng)處理手段相結(jié)合,分離精度可滿足AVO分析和四維地震的要求[21]。該技術(shù)既可應(yīng)用于海上氣槍作業(yè),也可應(yīng)用于陸上可控震源作業(yè)。同時震源與壓縮感知數(shù)據(jù)重建技術(shù)相結(jié)合,可使采集效率/采樣率提高10倍以上[22]。

在2012—2013年期間,我們進行了3次CSI技術(shù)海上試驗,對各項技術(shù)風(fēng)險和作業(yè)風(fēng)險進行了全面的評估,并且在實際數(shù)據(jù)處理和分析過程中不斷改進該技術(shù)。從2014年開始,CSI技術(shù)在多個油田得到推廣應(yīng)用,在提高采集效率、節(jié)省采集費用和改善地震資料品質(zhì)等方面取得了明顯的效果。在CSI技術(shù)的影響下,更多公司加強了壓縮感知相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用[23-25]。

2 CSI技術(shù)應(yīng)用實例

2.1 海底節(jié)點應(yīng)用

CSI技術(shù)首次大規(guī)模應(yīng)用是在北海某油田的三維海底節(jié)點采集項目中的應(yīng)用。該項目計劃在2015年初采集完成并用于制定后續(xù)油田開發(fā)計劃。考慮作業(yè)方和采集隊伍時間上的限制,唯一可行的采集時間窗是在2014年冬季。由于北海天氣和海浪的影響,冬季采集風(fēng)險很大。在惡劣氣象條件下,采集船隊為保證安全不得不停工等待。這不但增加了項目成本,更重要的是,如果數(shù)據(jù)采集無法按時完成將導(dǎo)致后續(xù)油田生產(chǎn)開發(fā)的滯后。在這種情況下,我們建議利用CSI技術(shù)提高采集效率,縮短工期。在原采集設(shè)計方案基礎(chǔ)上,我們對炮點距進行了NUOS優(yōu)化,并采用兩條獨立震源船進行同時震源采集。修改后的CSI設(shè)計方案并不增加采集設(shè)備和額外的作業(yè)難度,震源船之間不要求互相協(xié)調(diào)放炮的時間與距離,作業(yè)方式與傳統(tǒng)單船采集相似。在采集過程中,兩條震源船完全獨立作業(yè)。如果一條船遇故障停工,并不影響另外一條船的繼續(xù)作業(yè)。與協(xié)同作業(yè)的同時震源相比,這個采集方案有效縮短了總體歇工時間。盡管惡劣的氣候造成大量中途歇工,該項目仍然按時完成了采集任務(wù)。由于采用雙炮船作業(yè),放炮時間縮短了1/2,而整個工期的縮短又使采集成本降低了1/4。

在數(shù)據(jù)處理過程中,受益于算法的穩(wěn)定與高效,CSI數(shù)據(jù)的分離與重建并沒有顯著增加處理周期,反而將炮點采樣率提高了1倍。與該區(qū)域的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理結(jié)果相比,CSI數(shù)據(jù)經(jīng)過疊前深度偏移后成像質(zhì)量和精度有明顯提高,斷層和不整合面刻畫得更加清晰。為油田的構(gòu)造解釋和儲量評估提供了重要信息。該項目提高了我們對CSI技術(shù)的信心,也加深了我們對該技術(shù)的理解。

2.2 海上拖纜應(yīng)用

2015年,我們將CSI技術(shù)應(yīng)用于某三維海上拖纜采集項目。該項目是對澳大利亞海域某生產(chǎn)氣田重新采集地震數(shù)據(jù),以提高成像質(zhì)量并進行儲層精細刻畫。拖纜采集受限于方位角和纜距,在聯(lián)絡(luò)測線方向采樣率較低,淺、中部成像存在嚴(yán)重的航線采集痕跡干擾。傳統(tǒng)方法(如多方位角采集)要求對采集區(qū)域沿若干方位角多次覆蓋,成倍增加了采集時間和成本。為了降低成本,該項目采用窄方位角采集。我們利用CSI技術(shù)通過優(yōu)化采集方案,提高聯(lián)絡(luò)測線方向采樣率以減少航線采集痕跡,進而達到增加成像精度的目的。在接收方面,采用NUOS方法優(yōu)化纜間距并與作業(yè)方合作重新部署拖纜相對位置。纜間距由原來的固定50m變成25～75m非均勻分布。在震源方面,采用兩組震源交替放炮,并在保證氣槍容量的情況下,用NUOS優(yōu)化兩組震源炮檢距,產(chǎn)生非規(guī)則炮點分布。單震源炮距由原來固定的37.5m變成19～56m非均勻分布。該設(shè)計方案不改變作業(yè)方式,采集與船上質(zhì)量監(jiān)控與傳統(tǒng)拖纜作業(yè)方式相同,不增加作業(yè)難度與采集成本。NUOS設(shè)計支持后期數(shù)據(jù)重建以及混疊信號分離,處理后可增加采樣率5倍以上,極大提高了采集效率。

為了更好地應(yīng)用CSI技術(shù),數(shù)據(jù)以連續(xù)記錄格式輸出,并記錄每炮的精確放炮時間與位置。在處理上,我們首先進行混疊信號分離與重建,重建后數(shù)據(jù)拖纜數(shù)由12條增加為23條,同時纜距和炮距分別縮小為25m和12.5m。與多數(shù)插值方法只增加覆蓋次數(shù)不增加有效帶寬不同,CSI重建后數(shù)據(jù)在主測線方向?qū)o假頻帶寬從20Hz拓展到60Hz,在聯(lián)絡(luò)測線方向?qū)o假頻帶寬從15Hz拓展到30Hz,與理論帶寬吻合。雖然資料處理在數(shù)據(jù)重建后與傳統(tǒng)的處理流程一致,但是受益于更高的采樣率與有效帶寬,很多資料處理步驟(如去多次波、去鬼波、疊前偏移等)均取得更好的結(jié)果。對比經(jīng)CSI處理與未經(jīng)CSI處理的疊前偏移結(jié)果,我們可以清晰地觀察到CSI技術(shù)對減少采集痕跡以及提高成像精度有顯著作用。CSI、寬頻帶處理以及TTI疊前深度偏移技術(shù)相結(jié)合所提供的最終成像結(jié)果均能清晰刻畫淺層地質(zhì)異常、深層的復(fù)雜斷裂帶以及儲層,與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)果相比質(zhì)量顯著提高,為該區(qū)域下一步生產(chǎn)開發(fā)提供了有力支持。

2.3 陸上可控震源應(yīng)用

阿拉斯加北坡陸上三維地震數(shù)據(jù)采集于2015年初首次采用了CSI技術(shù)。該采集項目的主要目的是在某開發(fā)區(qū)塊獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)以解決地下塌陷層成像失真的問題,并為儲層定量分析提供支持。由于北坡地震資料采集的季節(jié)只有每年冬季的3到4個月,而且作業(yè)隊伍有限,各項目間需協(xié)調(diào)采集時間。當(dāng)時唯一可行方案是利用某采集隊伍在另外兩個三維采集項目當(dāng)中30天空檔期來完成該項目130km2采集。阿拉斯加幾十年來的傳統(tǒng)采集方式都是利用組合震源多次掃描的方式來增加單炮信噪比,并且通過組合接收陣列強化信號。由于惡劣天氣、凍土層、冰湖等因素對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響較的大,因而高效采集方法一直難以在北坡地區(qū)應(yīng)用。如果該項目采用傳統(tǒng)采集方案,在啟用12臺可控震源的情況下(3～4組),采集效率可達到平均1000～1500炮/天,遠不能滿足30天采集完130km2的高質(zhì)量高密度地震數(shù)據(jù)的要求。

我們利用CSI技術(shù),提出了使用單一震源單次掃描的方式,結(jié)合同時震源獨立作業(yè)進行高密度采集(平均15m炮檢距)。不同于其它陸上高效采集方法采用均勻分布炮點,我們通過NUOS方法優(yōu)化炮檢距,對放炮時間和8～12臺可控震源相對距離不作限制,后期依靠CSI技術(shù)對混疊信號進行高精度分離和重建。在優(yōu)化炮點位置過程中,將地表限制條件如凍湖、陡峭河岸、北極熊出沒地帶等無法放炮區(qū)域考慮在內(nèi),最優(yōu)化周邊覆蓋。在接收方面,采用節(jié)點設(shè)備單點接收連續(xù)記錄,保證炮點和檢波器點動態(tài)平衡,提高整體采集效率。節(jié)點位置同樣進行NUOS優(yōu)化,非規(guī)則分布20～80m,以支持后期數(shù)據(jù)重建。該采集方案在首次陸上極端環(huán)境應(yīng)用中達到了5000～8000炮/天,在30天內(nèi)完成了該區(qū)塊高密度采集任務(wù)。與采用傳統(tǒng)采集方式的原設(shè)計方案相比,提高采集效率5倍,增加數(shù)據(jù)密度6倍,并做到了全方位角覆蓋,為后續(xù)的各向異性建模和偏移奠定了基礎(chǔ)。

采集方式改變的同時也激發(fā)了處理上的新思路與新方法。傳統(tǒng)采集數(shù)據(jù)單炮信噪比較高,但由于采樣率低而導(dǎo)致假頻嚴(yán)重,往往模型導(dǎo)向的方法比數(shù)據(jù)導(dǎo)向的方法更有效。利用CSI技術(shù)的高效采集數(shù)據(jù)雖然單炮信噪比有所降低,但方位角信息豐富,采樣率成倍提高,假頻也得到明顯改善,在這種情況下,許多數(shù)據(jù)導(dǎo)向的方法變得非常有效,這也給機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)在地震資料上的應(yīng)用提供了更大的發(fā)揮空間。在處理與成像過程中,我們利用全方位角信息進行TTI建模,結(jié)合深度偏移,較好地解決了地下塌陷層成像失真的問題,同時成像精度特別是橫向分辨率有很大提高。通過對CSI數(shù)據(jù)AVO近遠道集疊加的振幅分析,我們發(fā)現(xiàn)對儲層頂部以及底部的刻畫更加連續(xù),儲層邊緣更加清晰。該項目展示了CSI技術(shù)對陸上采集的巨大幫助。自2015年起我們連續(xù)4年在阿拉斯加利用CSI技術(shù)進行陸上三維高密度采集,采集效率逐年提高,最高達到20000炮/天。與傳統(tǒng)采集相比,數(shù)據(jù)質(zhì)量有顯著提高。

3 總結(jié)與展望

地震資料采集在勘探地球物理中占據(jù)重要位置。高品質(zhì)、高密度的三維地震資料為后續(xù)的處理、成像以及解釋提供了堅實的信息基礎(chǔ)。另一方面,高分辨率的三維地震資料采集又面對很多困難,伴隨著人力以及設(shè)備的增加和施工周期延長,采集成本變得高昂。在全球油氣價格近年持續(xù)走低的大環(huán)境下,如何在有限的成本下高效地進行三維采集已經(jīng)成為一個重要的科研課題和生產(chǎn)難題。

壓縮感知理論從新的角度闡述了信號與采樣之間的關(guān)系。當(dāng)信號中的信息具有一定結(jié)構(gòu)的時候,可以通過設(shè)計采樣方式,以更低的采樣成本來重構(gòu)原始信號。本文介紹的CSI就是一種基于壓縮感知的高精度高效率地震資料采集技術(shù)。該技術(shù)打破傳統(tǒng)的規(guī)則采集方式,利用非規(guī)則最優(yōu)化的設(shè)計和獨立同時震源作業(yè),極大地提高采集效率并縮短采集周期,從而在較低的成本下完成高品質(zhì)、高采樣率的三維地震資料采集。經(jīng)過多年的摸索,該技術(shù)已經(jīng)用于海底節(jié)點、海上拖纜、陸上可控震源和炸藥震源等多種地震資料采集方式,均能在有限的采集預(yù)算下高質(zhì)量、安全地完成采集任務(wù)。所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過疊前深度偏移處理,得到了比傳統(tǒng)資料精度更高、質(zhì)量更好的地下構(gòu)造成像。

隨著新的采集技術(shù)的利用,地震數(shù)據(jù)采集的效率大幅提高,混疊信號分離與高保真數(shù)據(jù)重建成為地震信號處理過程中的重要技術(shù)。我們在稀疏反演的框架下,用非單調(diào)交替方向算法(NADA)進行信號分離與重建,得到的結(jié)果保真度較高,在實際應(yīng)用中能滿足AVO分析和四維地震的要求。

而經(jīng)過信號分離與重建后,地震數(shù)據(jù)增加了十幾倍甚至幾十倍,這就給勘探處理技術(shù)提出了新的課題。我們期待將壓縮感知技術(shù)同樣應(yīng)用于處理與成像過程中,壓縮數(shù)據(jù)存儲量,在提高處理效率和質(zhì)量的同時能夠更加有效地提取地震資料中的地質(zhì)信息。

致謝:感謝ConocoPhillips公司在開發(fā)CSI技術(shù)過程中的大力支持,以及阿拉斯加、英國、挪威、澳大利亞、馬來西亞等分公司在CSI技術(shù)應(yīng)用中的通力協(xié)作。特別感謝Chuck Mosher博士在CSI項目研發(fā)、推廣與應(yīng)用過程中全身心的組織與參與,Geophysical Services部門的同事在資料采集、數(shù)據(jù)處理、研發(fā)和管理等各方面的辛勤工作和熱情幫助。